腦機(jī)接口

相信大家都發(fā)現(xiàn)身邊的很多電子產(chǎn)品都“無線”了，比如無線鼠標(biāo)、無線耳機(jī)、無線投影等等。似乎所有的電子設(shè)備都在朝著“無線化”的方向發(fā)展，當(dāng)然，作為世界最前沿的“腦機(jī)接口”也不例外。

近年來，腦機(jī)接口（Brain Computer Interface，簡稱BCI）技術(shù)的熱度一直居高不下，這項(xiàng)技術(shù)帶來了突破性的變革，讓“意念控制”變成現(xiàn)實(shí)——使用者只需要在腦海中想一下，就可以操控計(jì)算機(jī)完成所想的任務(wù)，比如在電腦屏幕上打字，或者是操控機(jī)械臂完成各種動(dòng)作。

然而一直以來，腦機(jī)接口所采用的基本都是有線的形式，即需要用許多數(shù)據(jù)電纜將大腦中的傳感器陣列連接到計(jì)算機(jī)上，計(jì)算機(jī)接收信號進(jìn)而驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)各種操作。

近日，BrainGate公司展示了全新的“無線腦機(jī)接口”（BWD）系統(tǒng)，它由兩部分構(gòu)成，一部分是位于大腦皮質(zhì)內(nèi)的電極陣列，另一部分是位于體外的無線發(fā)射器。無線發(fā)射器固定在使用者的頭部，與大腦運(yùn)動(dòng)皮層內(nèi)的電極陣列相連。其中，無線發(fā)射器是一個(gè)5 厘米大小、43克重的小型裝置，代替了傳統(tǒng)腦機(jī)接口用于傳輸來自大腦內(nèi)部傳感器信號的電纜。

摒棄繁冗的有線電纜，無線腦機(jī)接口亮相

試驗(yàn)者正在使用無線腦機(jī)接口系統(tǒng)

這套“無線腦機(jī)接口”系統(tǒng)有兩大特點(diǎn)，首先，沒有了傳統(tǒng)腦機(jī)接口繁冗的電纜束縛；其次，能夠以“全寬帶保真度”和“單神經(jīng)元分辨率”來傳輸大腦信號。換言之，它能夠?qū)崿F(xiàn)高帶寬、高精度的無線信號傳輸。

BrainGate的研究人員在IEEE Transactions on Biomedical Engineering發(fā)表的研究結(jié)果顯示，兩名癱瘓?jiān)囼?yàn)者使用BWD在一臺(tái)平板電腦上進(jìn)行點(diǎn)擊操作和碼字，他們的點(diǎn)擊的精度和碼字的速度非常接近，這表明這套無線腦機(jī)接口系統(tǒng)的傳輸信號保真度與有線系統(tǒng)幾乎相同。

“我們已經(jīng)通過試驗(yàn)證明，在功能上，我們開發(fā)的這套無線系統(tǒng)與有線系統(tǒng)非常接近了。 ” 布朗大學(xué)工程助理教授、BrainGate研究聯(lián)盟成員John Simeral說道。“兩者的信號記錄和傳輸保真度非常相似，這意味著有線設(shè)備的那套解碼算法也可以為我們所用。而我們這套設(shè)備的優(yōu)勢在于，使用者不會(huì)在被電纜束縛，這可以說是開創(chuàng)了全新的使用體驗(yàn)。”

在此之前曾有媒體報(bào)道稱并不看好無線腦機(jī)接口設(shè)備，因?yàn)槠鋷捿^低、實(shí)際表現(xiàn)和體驗(yàn)不佳等。對此，BrainGate的研究人員表示，他們開發(fā)的這套無線腦機(jī)接口包含一個(gè)完全侵入式的皮質(zhì)內(nèi)系統(tǒng)，這是首款能夠傳輸皮質(zhì)內(nèi)傳感器記錄的全頻譜信號的設(shè)備。這種高寬帶無線信號使得基礎(chǔ)人類神經(jīng)科學(xué)以及臨床研究成為可能，而有線的腦機(jī)接口想實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)很難。這項(xiàng)（無線腦機(jī)接口）研究，在未來腦機(jī)接口發(fā)展的道路上邁出了至關(guān)重要的一步。

研究人員還指出，“相較于傳統(tǒng)腦機(jī)接口的測試環(huán)境是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的，我們的試驗(yàn)完全可以在家中進(jìn)行。”上述兩位由于脊髓損傷而癱瘓的試驗(yàn)者分別為35歲和63歲，在沒有任何電纜束縛的情況下，他們可以全天候（連續(xù)24小時(shí)）使用無線腦機(jī)接口設(shè)備。顯然，這給研究人員提供了更長、更多的試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，包括試驗(yàn)者在休息時(shí)的大腦信號數(shù)據(jù)。

布朗大學(xué)的工程學(xué)教授、布朗大學(xué)卡尼腦科學(xué)研究所的研究員、BrainGate臨床試驗(yàn)的負(fù)責(zé)人Leigh Hochberg說：“有了這套無線腦機(jī)接口系統(tǒng)，我們能夠以一種以前幾乎不可能的方式—在家里、長時(shí)間地觀察試驗(yàn)者大腦的活動(dòng)。比如了解神經(jīng)信號如何隨時(shí)間演化。這將對我們設(shè)計(jì)‘和優(yōu)化解碼’算法帶來非常大的幫助，為癱瘓患者提供無縫、直觀、可靠的通信和移動(dòng)恢復(fù)?！?/p>

功耗低、待機(jī)長，未來無線腦機(jī)接口設(shè)備有望取代有線

這套被稱為BWD的無線腦機(jī)接口系統(tǒng)是由布朗在布朗工程學(xué)院教授Arto Nurmikko實(shí)驗(yàn)室首次開發(fā)的，能夠在極小的功耗下傳輸高保真信號。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，兩個(gè)設(shè)備同時(shí)開啟從200個(gè)電極上以每秒48兆位的速度記錄神經(jīng)信號，續(xù)航時(shí)間超過36小時(shí)。

“雖然BWD已經(jīng)在基礎(chǔ)神經(jīng)科學(xué)研究領(lǐng)域應(yīng)用了數(shù)年，但在BrainGate試用版中使用該系統(tǒng)之前，還需要進(jìn)行額外測試和獲得監(jiān)管部門的許可。真人試驗(yàn)是腦機(jī)接口技術(shù)發(fā)展尤為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，我很榮幸能成為推動(dòng)人類使用腦機(jī)接口團(tuán)隊(duì)的一員。更加重要的是，我們論文中描述的無線技術(shù)幫助我們發(fā)現(xiàn)了下一代神經(jīng)技術(shù)（比如全植入的大腦高密度無線電子接口） 的關(guān)鍵所在。 ”Nurmikko說。

早在2012年，BrainGate研究團(tuán)隊(duì)便取得了重要的研究成果，試驗(yàn)者能夠通過腦機(jī)接口操作多維機(jī)器人假肢。此后，研究團(tuán)隊(duì)不斷改進(jìn)和優(yōu)化腦機(jī)接口系統(tǒng)，讓試驗(yàn)者能夠做更多事情，比如在碼字、使用各種APP等等。

“皮質(zhì)內(nèi)腦機(jī)接口正在從有線電纜到使用微型無線發(fā)射器演變，這項(xiàng)研究可能是為數(shù)不多的、能在較長時(shí)間內(nèi)（包括在實(shí)際使用腦機(jī)接口期間）捕獲全范圍皮層信號的研究之一?！彼固垢４髮W(xué)博士后、現(xiàn)任蘋果公司硬件工程師的Sharlene Flesher指出。

此外，BrainGate研究人員還表示，“這項(xiàng)新的無線技術(shù)已經(jīng)在以意想不到的方式獲得了回報(bào)?！庇捎谠囼?yàn)者能夠在家中使用這套無線設(shè)備而無需借助技術(shù)人員來維護(hù)有線連接，因此BrainGate團(tuán)隊(duì)能夠在新冠疫情期間繼續(xù)他們的研究工作。

“比如在2020年3月，那時(shí)候我們無法親自到訪試驗(yàn)者的家，但通過培訓(xùn)護(hù)理人員如何建立無線連接，試驗(yàn)者便能夠在沒有我們團(tuán)隊(duì)技術(shù)成員在場的情況下使用腦機(jī)接口。因此，我們不僅能夠繼續(xù)開展我們的研究，還能保持以前（有線腦機(jī)接口）擁有的全部帶寬和保真度。”Hochberg指出。

Simeral表示，“目前，已經(jīng)有很多公司進(jìn)入到腦機(jī)接口這一領(lǐng)域，一些公司還展示了可用于人體試驗(yàn)的低帶寬無線系統(tǒng)，包括一些完全植入的系統(tǒng)。我們很高興能夠使用高帶寬無線系統(tǒng)為未來的系統(tǒng)提高科學(xué)和臨床能力?！保ㄕ悦馈渡羁萍肌罚ň庉?多洛米）